Físicos y Cosmólogos: Buscando conocer el Universo

A finales de los años 70, los físicos de partículas decidieron acudir a los seminarios de cosmología para escuchar los que los cosmólogos tenían que decir sobre las galaxias y los quásar y, los cosmólogos (para no ser menor), alquilaron máquinas del CERN y el FERMILAB para trabajar en física de de altas energías en instalaciones subterráneas desde donde no se podían ver las estrellas.

Los experimentos que se producen en tan descomunales máquinas, llevan sus resultados hasta las pantallas de los ordenadores provistos de programas bien elaborados que regojen todos y cada uno de los sucesos del acontecimiento allí ocurrido cuando dos haces de muones, por ejemplo, chocan lanzados en direcciones opuestas a velocidades cercanas a la de la luz, y, en el choque, las partículas dan lugar a otras más elementales que están ocultas en el corazón de la materia y, con esta fórmula de altas energías, pueden salir a la luz para que las podamos conocer.

“La Física de partículas elementales y el estudio del Universo primitivo, las dos ramas fundamentales de la ciencia de la Naturaleza, se habían fundido esencialmente.”

            Gell-Mann

Cuando físicos y cosmólogos unieron sus conocimientos para saber sobre el todo desde lo puy pequeño hasta lo muy grande: El átomo y la Galaxia.

Encierran y tienen tantos secretos las galaxias que, existen multitud de familias, de formas y colores, y, todas ellas, son portadoras de la esencia del Universo, las galaxias, son retazos del Universo en las que están presentes todos los elementos y objetos que son son, también allí residen las fuerzas y las constantes y, para que no falte de nada, podríamos suponer que también, está la vida presente.

En encuentra que buscaron físicos y cosmólogos fue el Big Bang. Loa físicos habían identificaron simetrías en la Naturaleza que hoy están rotas pero que estuvieron intactas en el entorno de las inmensas energías, en el entorno de aquellos primeros momentos en los que se cree nació el universo. Los cosmólogos informaron de que el universo estuvo entonces en tal estado de alta energía, durante las etapas iniciales del Big Bang. Unidas ambas cosas, aparece el cuadro de un universo perfectamente simétrico y cuyas simetrías se quebraron a medida que se expandió y se enfrió, creando las partículas de materia y energía que encontramos hoy a nuestro alrededor y estampándoles las pruebas de su genealogía.

       Y la taza de Yukawua con las interacciones más misteriosas del Universo

“Corrían los años 30, años en los que el mundo estaba convulsionado por una devastadora crisis económica, y la física se encontraba en una encrucijada. (Vaya, esta frase me valdría para tiempos más recientes). Un físico nipón se propuso afrontar un severo problema, entre muchos otros en los que arrojó luz, que no era más, ni menos, que el de entender la interacción por la cual dos protones pueden unirse para formar núcleos.”

 

La simple y maravillosa idea

Yukawa consiguió lo que no pudieron ni Fermi ni Heisenberg sobre la interacción nuclear en el comportamiento de las partículas del núcleo atómico.

La ecuación de arriba nos habla de que para las distancias cortas las interacciones eléctricas serán muy intensas y para distancias grandes la intensidad disminuirá, incluso llegará a anularse cuando las distancias sean infinitas. Se sabía que la interacción electromagnética a nivel cuántico se debía al intercambio de fotones

 

 

Las diferencias esenciales entre la interacción nuclear y la interacción electromagnética son las siguientes:

1. La interacción nuclear, entre protones y neutrones (que también era conocido en aquella época) ha de ser de corto alcance. De hecho del orden del fermi. Un fermi equivale a  metros.
2. Dentro de su rango ha de ser más intensa que la interacción electromagnética ya que ha de conseguir mantener unidos a protones en un volumen pequeño.

 

                                           

En el modelo estándar,  la ruptura espontánea de simetría se complementa por el uso del bosón de Higgs, que es responsable de las masas de los bosones W y Z.  Todo esto puede verse de forma más técnica en la interacción de Yukawa donde se muestra cómo obtienen masa los fermiones  mediante la ruptura de simetría. Este mecanismo se aplica al caso de una ruptura de simetría gauge local local.

                            El toro es un ejemplo de grupo de Lie homeomorfo a .

En física la ruptura espontánea de la simetría ocurre cuando un sistema definido por una lagrangiana simétrica respecto a un grupo de simetría  cae en un estado vacío que no es simétrico.  Cuando eso sucede el sistema no se comporta más de forma simétrica.

El grupo de simetría puede ser discreto como el grupo espacial  de un cristal, o continuo como un grupo de Lie,  como la simetría rotacional del espacio. Sin embargo, si el sistema solo tiene una dimensión espacial entonces solo las simetrías discretas pueden romperse en un estado vacío de la teoría cuántica, aunque también una solución clásica puede romper una simetría continua.

 

 

“La ruptura de la simetría conlleva la aparición de nuevas partículas (asociados a nuevos términos de masas en el nuevo lagrangiano. En física, un lagrangiano es una función escalar a partir de la cual se puede obtener la evolución temporal, las leyes de conservación y otras propiedades importantes de un sistema dinámico. De hecho, en física moderna el lagrangiano se considera el operador más fundamental que describe un sistema físico.) como los bosones de Nambu-Goldstone  o los bosones de Higss) y la aparición de términos de masas de partículas ya existentes en el lagrangiano. Claro que la teoría electrodébil se describió por Steven Weinberg unificada en términos de su relación con el universo primitivo.”

Lo que resulta tan especial en la Teoría electrodébil  es que las partículas (portadoras de la fuerza) forman una familia estrechamente unida, con cuatro miembros: la W⁺, la W^– , la Z neutra, y el cuarto miembro es nuestro viejo amigo el Fotón, portador del electromagnetismo. Son todas hermanas, estrechamente relacionadas por el principio de simetría que nos dice que son, todas las misma cosa pero, que la simetría se ha roto. La simetría está allí, en las ecuaciones subyacentes de la teoría, pero no es evidente en las partículas mismas. Por eso las W y la Z son mucho más pesadas que el fotón.

                           En Universo temprano no había estrellas, ni galaxias, ni seres vivos

Hubo un tiempo, en el universo temprano, en que la temperatura estaba por encima de algunos cientos de veces de la masa del protón, cuando la simetría aún no se había roto, y la fuerza débil y la electromagnética, no sólo eran la misma matemáticamente, sino realmente la misma. Un físico que hubiera podido estar allí por aquel entonces, lo que no es fácil de imaginar, no habría contemplado ninguna diferencia real entre las fuerzas producidas por el intercambio de estas cuatro partículas: las W, la Z y el Fotón.

De la misma manera, aunque menos clara, las nacientes teorías de la supersimetría conjeturan que las cuatro fuerzas tal vez estaban ligadas por una simetría que se manifestaba en aquellos niveles de energías aún mayores que caracterizaban al universo incluso ya antes del Big Bang.

La introducción de un eje de tiempo histórico en la cosmología y la física de partículas, benefició a ambos campos. Los físicos proporcionaron a los cosmólogos una serie de herramientas útiles para saber como se desarrolló el universo. Evidentemente, el Big Bang no fue la muralla de fuego de la que se burló Hoyle, sino un ámbito de susceos de altas energías que muy posiblemente pueden ser comprensibles en términos de la teoría de campo relativista y cuántica.

La cosmología por su parte, le dio un tinte de realidad histórica a las teorías unificadas. Aunque ningún Acelerador concebible podría alcanzar las titánicas energías supuestas por las grandes teorías unificadas y la supersimetría, esas exóticas ideas aún pueden ser puestas a prueba, investigando su las partículas constituyentes del universo actual son compatibles con el tipo de historia primitiva que implican las teorías.

“Las partículas elementales aparentemente proporcionan la clave de algunos de los misterios fundamentales de la cosmología temprana… y, resulta que la cosmología nos brinda una especie de terreno de prueba para alguna de las ideas de la física de partículas elementales.”

                Todo lo que vemos está regido por esas cuatro fuerzas y por las constantes universales

A pesar de todo, de lo mucho que hemos avanzado y de los descubrimientos ciertos que se han podido conquistar y que están debidamente contrastados una y mil veces para estar seguros de que, todo eso es así. A pesar de ello, digo, no creo que aún sepamos, a ciencia cierta, lo que las fuerzas son, y, nos quedan algunos flecos que añadir a “ese traje” para que, la niña (en este caso la Naturaleza), se nos pueda mostrar con toda su belleza y esplendor.

¿Qué son las fuerzas?

Sí, más o menos, aunque con ciertas carencias y faltas de completitud, podemos dar una idea de lo que las fuerzas son y, para andar por casa, podría ser una explicación suficiente pero, si queremos dar un paseo más largo, y llegar hasta los confines de la Galaxia, entonces, no podemos confiar en esta exigua explicación a la que, como antes decía, le faltan esos flecos que la adornan y completan y las acercarían a nuestra total comprensión.

Sabemos del nacimiento de las estrellas, la acumulación de estas en galaxias, que a la vez se agrupan en cúmulos y por si fuera poco,  esparciéndose en forma uniforme mientras el Universo sigue  y sigue expandiéndose. La formación de nebulosas en todas partes, de ellas las nacientes estrellas, blancas, azules, rojas y amarillas, y a su alrededor la formación de planetas. Todo un ciclo que se repite y se repite por miles de millones de años, entregándonos un formato claro y que podemos aventurarnos a predecir sin temor a fallar y, sabemos que, todo eso es posible gracias a que, las cuatro fuerzas fundamentales del universo están presentes y, el ritmo que imponen, hacen posible que las cosas sean tal como las podemos contemplar.

Quarks que se unen para formar nucleones, estos que conforman los núcleos, la llegada de los electrones atraídos por la carga eléctrica positiva de los núcleos hacen que se formen los átomos del universo que, unidos forman moléculas que, a su vez, se unen para formar cuerpos como las estrellas y los mundos que las rodean, grupos de estrellas que dan lugar a enormes galaxias y estas, reunidas, forman cúmulos que son las estructuras más grandes del universo y, todo ello, es posible gracias a esas fuerzas y a esas “insignificantes” partículas que conforman la materia.

Ahí los tenéis y aunque pueda parecer sencillo, el lidiar con estas tres familias de partículas que son, en realidad las que conforman todo lo que existe en el mundo (entendiéndose por el mundo el universo entero), no es fácil y de ellas, surgen muchas implicaciones, algunas que no hemos podido llegar a entender aunque, en honor a la verdad tendremos que decir que, en lo más básico, podemos formular hipótesis y teorías que las implican y que están acordes con la realidad observada en el laboratorio experimental. Sin embargo, muchos son, todavía, los secretos que nos esconden y al que nuestro intelecto no ha podido llegar aún. Sin embargo, si nos dan más tiempo, todo llegará.

Y, a todo esto, no debemos olvidar que, aparte de las propiedades que dichas partículas pueden tener de manera individual, todas tienen que convivir con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza que, de alguna manera, inciden en ellas de mil maneras diferentes.

No sólo toda la materia del Universo, nosotros también, supeditamos nuestros comportamientos a lo que rige la norma que establen esas cuatro fuerzas fundamentales del Universo que, junto con las constantes universales, hacen de nuestro universo lo que es y permite, que la vida esté presente para observar todas estas maravillas.

Ayer por la tarde (como hago tantas veces por estas fechas), acompañado de mi inseparable esposa, me di una vueltecita por todos estos parajes y, nos paramos en un “chiringuito” situado en un lugar solitario ya en estas fechas en la que los turistas se van marchado. Ella, mi mujer, después de tomarnos un café, se marcha un rato a la playa a tomar un baño y echarse en la fina arena a tomar el Sol, y, mientras tanto, saco mi libreta (que siempre me acompaña) y, mirando ese inmenso horizonte escribo de todo esto que antes habéis podido leer acompañado de una bella puesta de Sol.

Realmente, cuando te acercas a la Naturaleza, las cosas se ven diferentes, te sientes más cerca de lo verdadero y puedes llegar a comprender algunas cosas que, la simbiosis del momento te acercan a la comprensión. Recordé que desde estos mismos lugares inició Colón su viaje  para “las Américas” lo que después llamamos el nuevo mundo, y, aunque él creía que se dirigía a Cipango, el País del Sol descrito por Marco Polo, el hombre llegó a ese nuevo Mundo que ahora (a pesar de todo),  de sus habitantes nos sentimos hermanos.

¿Cuándo llegaremos a comprender? ¿Entenderemos alguna vez por qué hicimos las cosas? ¿Sabremos perdonar? y, sobre todo, comprenderemos de una vez por todas que todos somos uno… ¡falta mucho para que eso sea una realidad!

emilio silvera

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